（计算机软件与理论专业论文）智能嵌入式系统设计研究.pdf

摘要 嵌入式系统是计算机发展的一个分支，广泛应用于移动通讯、电子消费产品、 工业控制、军事科技和医疗设施等社会、生活的各个领域。随着嵌入式系统的快 速发展和应用，对嵌入式系统的开发设计进行研究成为迫切的要求，引起人们极 大的关注。 本文以热重分析仪为开发背景，对智能嵌入式系统的设计开发进行了系统研 究。整体上对温度控制系统、重量系统和通信系统的设计进行了重点研究并提出 新的方法，具体主要体现在以下五个方面： 1 1 阐述嵌入式系统的常用模块的设计方法，将整个系统分成p c 机和嵌入 式系统机，将系统功能和软件模块层次进行合理划分。 2 ) 设计出一种新的神经网络模糊p i d 模型。针对常规的模糊p i d 控制，给 出一种新的模糊p i d 控制的解决方案，保留了传统p i d 模型的优点，并 具有实际的易实现性。针对p i d 控制中调整参数复杂、不易整定的问题， 给出基于前馈神经网络的模糊p i e d 控制器。该控制器可利用神经网络进 行自适应学习，优化或在线调整p i d 模糊控制参数。 3 1 提出一种新的快速数字化去皮方法。该方法耗时短，时间可预测，且算 法简单易于实现。 4 1 介绍了常用的u s b 开发方法，给出部分u s b 开发实例。 5 ) 本文设计的综合热分析仪已经投入实际的生产使用，并取得了较好的使 用结果，验证了其理论的可行性 关键字：嵌入式系统温控神经网络模糊p i d 去皮u s b 中图索书号：t p 3 9 1 a b s t r a c t e m b e d d e ds y s t e mi sab r a n c ho fc o m p u t e rs y s t e m ，w h i c hi sw i d e l yu t i l i z e di nt h e a r e ao fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，e l e c t r o n i cp r o d u c t s ，i n d u s t r i a l c o n t r o l ，a r b i t r a r y t e c h n o l o g ya n dt e c h n i c a li n f r a s t r u c t u r e ，e t c w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h e e m b e d d e ds y s t e ma n di t sw i d ea p p l i c a t i o n ，i t se s s e n t i a lf o rp e o p l et od ot h er e s e a r c h o ne m b e d d e ds y s t e m s b a s e do nt h ed e v e l o p m e n to ft h et h e r m a lg r a v i m e t f i ca n a l y z e r , t h i sp a p e rf o c u s e s o nt h er e s e a r c ho fd e s i g na n dd e v e l o p m e n to ft h ei n t e l l i g e n te m b e d d e ds y s t e m o v e r a l l ，w i t he m p h a s i so nt e m p e r a t u r ec o n t r o l s y s t e m ，g r a v i m e t f i cs y s t e m a n d c o m m u n i c a t i o ns y s t e md e s i g n ，s o m en e wm e t h o d sa r ep r e s e n t e di nt h i sp a p e r t o t a l l y t h e r ea r ef i v ea s p e c t si nd e t a i la sb e l o w ： 1 ) i tp r e s e n t sad e s i g nm e t h o df o rc o m m o nm o d u l e so ft h ee m b e d d e ds y s t e m t h ew h o l es y s t e mi sd i v i d e di n t op ca n de m b e d d e d s y s t e m ，a c c o r d i n gt ot h e s y s t e mf u n c t i o na n ds o f t w a r ea r c h i t e c t u r e 2 ) an e wa n nf u z z yp i dc o n t r o lm o d e li sp r e s e n t e df o rt e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 w i t hr e s p e c tt ot h ec o n v e n t i o n a lf u z z yp i dc o n t r o l ，t h en e wm o d e lr e t a i n s t h ef e a t u r eo ft h ef u z z yp i d ，w h a t sm o r e ，i se a s yt oi m p l e m e n t a n ni s i n t r o d u c e di n t ot h em o d e lt oc o n q u e rt h ec o m p l e xp r o c e d u r eo ft h ep a r a m e t e r a d j u s t m e n t t h es e l f - a d a p t i v em o d e lc a nb eu s e dt oo p t i m i z et h ep a r a m e t e r o n l i n eo ro f f l i n e 3 ) a n e wr e a l i z a t i o nf o rq u p io p e r a t i o ni sp r e s e n t e d ，w h i c hi st i m e s a v i n g , t i m e p r e d i c t a b l ea n de a s yt or e a l i z e 4 ) b yg i v i n gt h ed e v e l o p m e n ta r c h i t e c t u r e ，u s bd e v e l o p m e n ti sc o v e r e di nt h e p a p e ra st h ec o m m u n i c a t i o nd e s i g ni nt h ee m b e d d e ds y s t e m 5 ) t h et h e r m a lg r a v i m e t r i ca n a l y z e rd e s i g n e di nt h ep a p e ri si m p l e m e n t e da n d m a n u f a c t u r e di ni n d u s t r y , a n dt h er e s u l tv e r i f i e st h e f e a s i b i l i t yo f t h et h e o r y k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，t e m p e r a t u r ec o n t r o l ，a n n ，f u z z yp i d ，u s b c l c ：t p 3 9 1 第一章绪论 1 1 嵌入式系统概述 1 1 1 嵌入式定义： 嵌入式系统是集计算机技术、半导体电子技术以及各种应用于一身的知识集 成系统。i e e e ( 虱际电气和电子工程师协会) 定义，嵌入式系统是“控制、监视或 者辅助设备、机器或车间运行的仪器”( d e v i c e su s e st oc o n t r o l ，m o n i t o ro ra s s i s tt h e o p e r a t i o no fe q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 。目前国内嵌入式系统通常被定义为： 以应用为中心，以计算机技术为基础，软件可裁减，硬件可定制，通常为对功能、 可靠性、成本、体积、功耗要求严格的专用计算机系统【1 1 。简言之，是嵌入在 对象体系中的专用计算机系统【2 】0 嵌入式系统是计算机体系中的一个分支，但属于非p c 系统。嵌入式系统已 经广泛应用于移动通讯、电子消费产品、工业控制、军事科技和医疗设施等社会、 生活的各个领域。典型的嵌入式系统产品如p d a ( p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t ) ，手 机，洗衣机，空调，冰箱，微波炉，电梯、汽车等；p c 系统也是由许多独立的 小型嵌入式系统组成，比如鼠标、显卡、声卡、以太网适配器等；在工业领域比 如工业制造系统，过程控制系统等。 嵌入式系统面向应用、面向市场，在实现功能的前提下，追求最低成本。因 此，嵌入式系统的软硬件均量身定做，即“可裁减”。嵌入式系统和其他p c 系 统不同，侧重系统的稳定性，对处理器的性能要求相对比较低。 1 1 2 嵌入式系统组成、特点 嵌入式组成包括硬件和软件两部分。嵌入式系统的硬件部分，以处理器微处 理器为核心，包括存储器、外设器件和f o 接口等外围设备；软件部分包括嵌入 式操作系统和专用应用程序。嵌入式系统的硬件除了微处理器等核心部件，其外 围设备需根据对象系统要求可进行量身增加或裁减，以满足功能、降低成本。软 件依赖于硬件的支持以及资源丰富性，选择是否使用操作系统，使用简单的操作 系统或实时处理操作系统；专用应用程序是嵌入式系统的灵魂，实现对整个系统 运作的监测和控制。 嵌入式操作系统以硬件平台为基础，而应用软件又以嵌入式操作系统为软件 系统平台。图1 1 为嵌入式系统的结构框图。如今，在硬件技术飞速发展的情况 下，嵌入式系统的软件部分有着越来越广阔的发展空间，成为嵌入式系统中具有 关键性的部分。嵌入式系统对系统稳定性的高要求的使得在系统资源丰富、处理 器处理能增强的情况下，对软件的易用性、稳定性等方面都提出了新的要求。 嵌八式应用软件 _ | 憾 。嵌入武操作系统 4 7 ；l _ 微处理器为核，0 的硬件警台i ， n t * 2 ： | x * 一， + 、，t + 一靴+ ：n + 。女女、，、，一女n ，j 图1 1 嵌入式系统结构框图 和通用型计算机系统相比，嵌入式计算机系统具有以下特点： 1 嵌入式系统面向特定应用 嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体 积小、集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片 内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦 合也越来越紧密。 2 软件、硬件和具体应用的集合体 嵌入式系统是集成了先进的计算机技术、半导体电子技术和各个行业的具体应用 相结合后的产物。因此嵌入式系统是一个技术密集、不断创新的知识集成系统 3 面向市场 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同 样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有 竞争力 4 生命周期长 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进 行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期 5 存储载体固化 嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁 盘等载体中。这样一方面为了提高执行速度和系统可靠性，另一方面提高系统的 集成度，减小系统体积。 6 不具备自举开发能力 系统中的程序以二进制或十六进制形式直接烧入存储器中，即使设计完成以后用 户通常也不能直接对其中的程序功能进行修改，必须借助一套开发工具和环境才 能进行开发 1 1 3 嵌入式的发展 嵌入式系统的发展根据其核心部件即微处理器的发展模式，可大致分为三个 阶段1 4 1 ： 1 s c m ( s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ) 单片机阶段 该阶段主要是寻求最佳的单片机体系结构，实现其高性能。在探索单片机的 发展道路时，有过两种模式，即“模式”与“创新模式”。i n t e l 公司的m c s 一4 8 、 m c s 5 1 就是按照创新模式发展起来的单片形态的嵌入式系统。历史证明，“创 新模式”是嵌入式系统独立发展的正确道路，m c s 5 1 的体系结构也因此成 为单片嵌入式系统的典型结构体系。该模式为用户设计提供性能良好的微处 理器芯片，没有考虑集成周边设备，如a d 转换器等。 2 m c u ( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ) 微控制器阶段 重点在于增强与周边电路的集成，或提供与周边电路适宜的接口电路，趋向 于增强智能化控制能力。根据实际中的需要，可将a f d 转换器，e t h e m e t 控 制器等功能集成，或提供扩展该类功能的开发接口。如p h i l i p s 的8 0 c 5 5 2 ， 集成了1 0 位的a d 转换器以及p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n 脉宽调制) 产生 器。 3 s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 片上系统阶段 寻求应用系统在芯片上的最大化，产生了s o c 趋势。基于操作系统的支持， 可以实现进程管理、多线程技术等，从而发展出嵌入式实时操作系统。 随着微电子技术的发展，e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g n a u t o m a t i c ) _ e 具的日益强大， 芯片复杂功能需求的增加，s o c 是目前嵌入式发展的趋势【4 】。 1 1 4 嵌入式操作系统 嵌入式发展的前两个阶段，一般没有引入操作系统。直到s o c 阶段，操作系 统被应用到嵌入式系统中来，增加了嵌入式系统的实时和复杂任务处理能力。很 长一段时期里，嵌入式设备中没有使用操作系统，主要有两方面的原因：其一， 早期的嵌入式设备仅需要一道简单的控制程序，比如洗衣机，冰箱等设备，处理 器只需要处理数量有限的按钮和显示指示灯等简单操作，使用过程控制配合中断 就可以很好的实现这些功能，没有必要使用操作系统：其二，系统硬件资源及其 有限，比如处理器速度、内存大小、存储空间等，不足以支持一个操作系统。 随着硬件的飞速发展，系统资源越来越丰富，无论微处理器的处理能力，以 及r a m 和r o m 的空间大小，都使得对操作系统的支持成为可能；同时，人们 对嵌入式设备的功能要求越来越复杂，许多实时性功能已不能很好的用过程控制 和中断来实现，引入操作系统中的多进程技术将更好的实现功能和简化程序设 计。7 0 年代末，嵌入式系统中逐步引入了嵌入式操作系统( e m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e m ：e o s ) 。 随着e o s 的广泛应用，市场上已推出一些应用比较成功的e o s 产品。目前 使用最多的e o s 产品包括有：v x w o r k 、q n x 、p a l m o s 、w i n d o w s c e 。其中， v x w o r k 使用最为广泛、市场占有率最高，其突出特点是实时性强，采用优先级 抢占和轮转调度等机制，除此之外，其可靠性和可剪裁性也相当不错。q n x 是 一种伸缩性极佳的系统，其核心加上实时p o s i x 环境和一个完整的窗口系统还 不到1 m 。相比之下，m i c r o s o f t w i n c e 的核心体积庞大，实时性能也差强人意， 但由于w i n d o w s 系列友好的用户界面和为程序员所熟悉的a p i ，并捆绑i e 、o f f i c e 等应用程序，正逐渐获得更大的市场份额。而与这些商业化的操作系统相比， l i n u x 已经越来越受到人们的注意【5 j 。 1 2 本课题的研究背景、意义、目标以及主要内容 本文以综合热分析仪开发项目为研究背景，主要研究和解决了以下问题： 阐述嵌入式系统的常用模块的设计方法，以热分析仪开发为例，对其他的嵌 入式系统开发具有参考和借鉴意义。 重点解决了温度控制系统的设计。针对常规的p i d 控制，给出模糊p i d 控制 的解决方案，并针对p i d 控制中调整参数要求开发者丰富的实践经验、不易 整定的问题，给出基于前馈神经网络的模糊p i d 控制器。该控制器可利用神 经网络进行自适应学习，优化或在线调整p i d 模糊控制参数。在对实时控制 要求较高的控制系统中，可进行预学习，学习结束后关闭神经网络学习器， 进行模糊p i d 控制；在实时性要求较低的系统中，可以进行在线学习和整定， 为自适应模糊p i d 控制器。 提出一种新的快速数字化去皮方法。该方法耗时短，时间可预测，且算法简 单易于实现。 介绍了常用的u s b 开发方法，给出u s b 开发实例。 本文设计的综合热分析仪已经投入实际的生产使用，并取得了较好的使用结 果，验证了其理论的可行性 本文对嵌入式系统设计部分的研究，可以作为嵌入式系统开发的借鉴和参 考，从系统分析开始，到温控系统和重量系统的设计实现，以及通信接口的使用， 4 都有实际参考价值；对智能控制系统的改进，提出新型模糊p j d 控制模型，引入 神经网络，为以后智能控制系统的设计和研究提供了新型方案；对以后该系统的 智能化发展给出了改进方向。 本文共由五章组成，第二章介绍系统的框架，包括硬件和软件的总体设计； 第三章重点解决温度控制问题，从经典p i d 控制开始，逐步改进模型，最后给 出一种新的神经网络模糊p i d 控制器模型：第四章介绍称重系统设计，给出一 种新的数字去皮算法和电路实现；第五章为u s b 接口的设计实现，介绍了常见 的一种开发方法；第六章给出该系统的问题和潜在发展方向。 第二章系统设计 2 1 热分析仪器系统介绍 热重分析仪是用于在温度程序控制( 等速升温、降温、恒温和循环) 下测量 物质的质量( 或重量) 随温度变化的分析仪器。用以测定物质的脱水、分解、蒸 发、升华等在某一特定温度下所发生的质量( 或重量) 变化，广泛应用于有机、 石化、建材、化纤、冶金、陶瓷、制药等领域。例如测定金属有机物的降解、煤 的组成、聚合物的热稳定性、催化剂的筛选、炸药的性能以及反应动学的研究等。 由于微量热天平比常量的试样量少，样品中温度梯度小，测定试样内部易产 生二次效应，失重曲线明显，分辨率高，适宜于重量小而失重大的试样。 热重分析仪由热天平主机、加热炉、气氛单元、数据采集及处理箱、气氛控 制单元、计算机、激光打印机等组成。具有实时采集d t a 、t g 、d t g 和t 衄线， 数据处理、打印、列表、数据存取等功能，软件操作系统采用菜单方式，人机对 话，操作简单，数据处理速度快，精度高。 2 2 系统总体结构 2 2 2 硬件组成 从硬件组成上，热重分析仪系统分成两个部分：下位机系统( 嵌入式系统部 分) 和上位机( p c 机部分) 系统，如图2 1 所示。下位机主要由数据采集及控 制箱、重量传感器、差热分析采集卡( d t a ) 、温度传感器、电热炉和电风扇等组 成；上机主要又普通的p c 机和打印等组成。 下位机的主要功能是接受上位的指令，并按照指令完成数据采集、处理、传 送等任务，同时根据指令完成各种控制和系统保护任务。上位机主要功能是完成 接受下位机传来的各类数据，进行相关的数学计算和处理，并保存、显示、打印 相关数据、图形等任务。 卜量传礴器司p 曰 i ”即t 蜥a ) ( d t a 螬卜 罨 打印机 i 温度传感器l 睁l - - -1 i | 电热炉一 采集及控制箱 翮 电风扇么典氇+ 盘匾p p c 机 下位机 上位机 图2 - 1 系统结构总体图 2 2 3 逻辑组成 从逻辑上，热重分析仪主要由天平测量系统、微分系统、差热放大和温度控 制系统组成，辅之以气氛和冷却风扇，测量结果计算机数据处理系统处理。 1 ) 天平测量系统 当物质被加热时，随着温度的增高，物质内部在某一特定温度下产生的物理 变化和化学性质的变化( 如分解、氧化等) 时，常常拌随着物质重量的变化。热 重分析的原理就是将被加热试样的质量( 或重量) 变换成电流，电流大小代表质 量的大小。 当天平左侧热重差热联用样品支架上加入试样质量时，天平横梁连同线圈和 遮光小旗发生逆时针转动，这时，通过光电转换等输出电流，电流在磁场下，受 力而产生一个顺时针的转动，只有当试样质量产生的力矩和线圈产生的力矩相等 时，才达到平衡。此时，试样质量正比于电流、电压，经放大后，通过接口单元 送入计算机处理。试样质量功在升温过程中不断变化，就得到热重曲线t g 。 2 ) 微分系统 微分系统的作用是对热重曲线t g 进行一次微分运算，得到热重微分曲线 d t g 。微分曲线的峰顶点就是试样质量变化速率的最大值。 3 ) 差热测量系统 差热分析( d t a ) 是在程序温度控制下测量物质与参比物之间温度差随温度 变化的一种技术。差热信号的测量通过样品支实现，系框架式平板热电偶( 一对 热电偶差接) 。 钔温度控制系统 该系统由程序温度控制单元、控温热电偶及加热炉组成。程序温度控制单 元可编程序摸拟复杂的温度曲线，给出毫伏信号。当控温热电偶的热电势与该毫 伏值有偏差时，说明炉温偏离给定值，由偏差信号调整加热炉功率，使炉温很好 地跟踪设定值，产生理想的温度曲线。 5 1 气氛系统 气氛系统由气体净化器、稳压阀、压力表、气体调节阀、流量计等气动元件 组成。气氛系统在使用中可用于控制单路气体的流量、二种气体的切换和二种不 同流量气体的混合使用。 数据处理系统 该系统由接口放大单元、计算机、打印机及系统软件组成。如图2 2 ： 图2 - 2 数据处理系统结构 接口单元将t 、d t a 、t g 、d t g 信号变换成数字量，被计算机采集。采集到的 数据曲线，由软件进行各种处理，结果可屏幕显示、打印 2 3 软件系统架构 2 3 1 软件整体架构 同样的，软件系统分为下位机软件系统和上位机软件系统。根据系统功能将 整个系统的各部分模块化，其中下位机主要由三个功能子模块和一个通信总控模 块构成，三个子模块分别是温度通道主控模块、重量通道主控模块和d t a 通道 主控模块，分别用来完成温度控制、计算室温，天平调零、去皮等操作以及重量 数据采集，d t a 数据采集功能；通信总控模块用来收集三个功能子模块采集的 数据，与上位机实现数据传输，同时包括接受上位机的命令或数据，转发到相应 子功能模块。上位机以数据处理及分析模块为中心，还包括g u i 模块，文件系 统，图表图形生成模块，异常处理模块等部分。 2 3 2p c 机软件模块设计 p c 机软件是指运行于p c 机的进行数据处理、显示以及计算的程序。主要功 能包括以下部分： 对底层嵌入式系统进行身份识别 根据操作者的要求，向底层嵌入式系统发送各种命令；接受底层嵌入式系统 送来的温度和重量数据 对收到的试验数据进行实时滤波和事后滤波处理 对重量数据进行基线扣除 根据用户要求显示重量、温度、t g 或者d t g 曲线 进行数据计算，如动力学参数的计算、氧化诱导期的计算等 数据存盘和历史数据打开，试验报告打印输出 图2 - 3p c 机软件结构 2 3 3 嵌入式系统软件设计 嵌入式系统部分主要根据功能分成4 大板块，分别为温度控制模块，重量称 一9 量模块，d t a 模块以及大底板u s b 通信模块。其主要功能包括： 接收来自p c 的用户指令和数据，并对指令作出相应处理或响应 向p c 机发送采集到的数据 完成指定的调零、去皮等重量称量操作 完成室温测量、炉温测量、温度控制的操作 完成d t a 数据的采集和转化工作 系统被用户定制的控制参数的保存和读取 以温度控制通道为例，包括初始化模块、通信模块、炉温测量模块、室温测 量模块、a d 转换处理模块、模糊控制模块、自动保护模块和报警模块等。 测温通道主控模块 通 信 模 块 初 始 化 模 块 测 炉 温 模 块 测 室 温 模 块 数 模 转 换 及 处 理 模 块 温 控 驱 动 模 块 图2 4 称量通道软件结构 模 糊 温 控 模 块 自 动 保 护 模 块 报 警 模 块 2 4 硬件系统结构 下位机的结构如图1 - 3 所示。主要由温度测控、重量称量、d t a 测量、通讯 连接和电源供给四部分组成。 1 温度测控： 包括两个部分，一是室温的测量，二是炉温的测试和控制。 1 ) 室温测量：室温传感器将温度转化成电流、电压，经过电压频率转换器，微 处理器即可通过测量中断的频率，计算室温 2 ) 温度的测量及控制：一方面炉温经过温度传感器( 如热电偶) 转化为电压量， 经过滤波电路后，进行a d 转换以及数字放大，将结果输入到微处理器；另 一方面微处理根据控制规则，将控制量输出到温度控制器( 如继电器) ，实现 对炉温的控制。 2 重量称量 称重传感器通过光电转换器将天平物理上的偏移转化成光电流，经由放大器 放大信号、分压器调节分压后，进行滤波和d 转换，输入到重量称量控制微 处理器。微处理器可以通过控制调零数字电位器电路、去皮数字电位器电路实现 自动调零和去皮的过程。 3 d t a 称量 差热信号的测量通过样品支架实现，测量时将试样与参比物分别放在两支坩 埚中，随温度变化，如试样在某一温度段发生吸热或放热反应，而参比物没有化 学变化，则产生t 。电路上分为支架差分电路，a d 转换后将数据输入到微处 理器 电源供给器 模拟电源 + 5 v ，一5 v ，+ 1 2 ，一1 2 v ，6 0 v i 数字电源：+ s v ，一5 v + 1 2 ，一1 2 v 基准电压：+ 2 5 v ；电炉供电：交流7 0 8 0 v ； 温度趔控重量整量 i 电源供给通皿连接 图2 4 下位机结构图 第三章温控系统设计 3 1 温控系统概述 在该综合热分析仪系统中，温度控制是实现整个系统功能的关键部分，是热 重分析的基础。温度控制的目标是使得控制体的温度按照指定的升温过程平滑改 变或保持，避免出现偏离和波动。其主要原因是，在温度变化曲线均匀变化时， 加热炉内各点温度大致呈轴向对称，d t a 的曲线接近实际情况；当温度波动较 大时，加热炉内各点温度在轴向变化较大失去对称性，使得d t a 曲线受到波动 的干扰，曲线上出现伪峰，影响正常的数据分析。因此，温度控制的精度将影响 到d t a 曲线，进而影响试验分析结果的精度。 典型的，热重分析仪温度控制分成四种类型，即匀速升温，恒温，匀速降温 和暂停。在一次温度实验过程中，这四种类型可以进行任意合理的组合，满足实 际实验的需要。根据加热器功率的不同，升温和降温的速率可以在一定范围内由 用户指定，比如在5 。c m i n 一2 0 。c r a i n 之间的任意速率。图3 1 为一次温度控制 曲线，带有2 个升温过程和2 个恒温过程。 7 7 图3 1 实验中的一次温控曲线 3 2 温控系统特点 该系统由程序温度控制单元、控温热电偶及加热炉组成。概括起来，温控系 统主要具有下面三个特点： n 0 0 d n 0 咖 湖 枷 枷 m 。 非线性 控制体的传递函数呈非线性。取固定输出量，比如固定电压值，输出到加热控制 体，其输出的温度曲线为非线性。非线性传递函数的控制复杂度大大提高。 图3 2 加热炉温度飞升曲线 变常性 炉子的电阻等参数随温度不同发生变化。通常加热体的电阻随温度的升高而 增大，即温度越高，电阻越大。 延迟性 加热炉通常以热传导和热辐射形式进行能量传递，在时间上具有滞后性。当 加热炉体积较大时，延迟性尤其明显。 此外，不同的加热体温度特性不同，如大小、电阻、功率等参数都需要在控 制过程中考虑到，对控制方法的适用性和鲁棒性都提出很高的要求。 温控系统通常可采用固定电压控制电流占空比，或者采用直接控制电压的方 法。传统的控制系统大多用在在线性定常系统中，其控制器可分为三种，p i 控 制器，p d 控制器，以及p i d 控制器。p i 控制器根据目标值与实际输出值的差值e 以及差值的积累值y 岛，实现对待温控系统的自动控制；p d 控制器根据目标值 与实际输出值的差值e 以及差值的微分值如，产生修正输出量实现控制；p i d 控 制器是p i 控制器、p d 控制器的综合，根据差值e 、差值的积累值y p ，以及差值 的微分值如，综合产生修正p i d 控制器输出逼近目标值。 ”1 而实际工程应用中，大多系统不属于线性定常系统。对于非线性定常系统， 模糊控制器取得了成功并得到广泛的应用。由于p i d 控制器结构简单，鲁棒性 ( r o b u s t n e s s ) 好，因此将模糊控制器与传统p i d 控制器相结合，产生了许多不同结 构的模糊p i d 控制器。 3 2 线性系统的脉冲响应和传递函数 传递函数是控制系统中的一个重要概念，控制器通过传递函数来表征其控制 的输入输出之间的函数传递关系。假设已经线性定常系统得输入为“o ) ，输出为 ) ，e ) 。那么系统可以用脉冲响应g ( f ) 来表征。其中g ( f ) 定义为系统在输入为单一 脉冲函数6 0 ) 时的输出。如果已知系统的脉冲响应，对于任意的输入“o ) ，系统 地输出y ( f ) 都可以根据传递函数求出。 3 2 1 单输入输出系统的传递函数 线性定常系统的传递函数定义为零初始条件下，系统脉冲响应的l a p l a c e 变 换。定义g ( s ) 为单输入输出系统的传递函数，输入为h o ) ，输出为y ( f ) ，脉冲响 应为g o ) ，则定义传递函数g g ) 为g g ) 一工【g o ) 】。 在零初始条件下，g g ) 与输入输出之间的脚l a c e 之间的关系为g ( s ) 一昌蓦， 其中l ，0 ) 和( ，0 ) 分别为y e ) 和“o ) 相应的l a p l a c e 变换。 当线性定常系统的输入为连续数据时，系统的输入输出关系通常由微分方程 来描述。实际上，从微分方程来得到传递函数更为简便。假设线性定常系统的输 入输出关系由下面的n 阶微分方程描述： 掣帆一，掣+ ，掣嗨y t ) 吨了d u ( o 峨，掣+ 一掣峨“o ) ( 1 ) 其中，系数口。，棚。和6 。，b l ，k 皆为实常数。当定义了t t 。的输a u ( t ) 以f f t t = t o 时y 和) 和“o ) 各阶导数的初始值，t = t o 的输出响应就可以由( 1 ) 式求 解确定。 要得到( 1 ) 式描述的线性系统的传递函数，只要在方程两边做l a p l a c e 变换 并假设初始条件为0 ，可以得到： b 4 + 4 。一。5 “_ 1 + + 口。s + 4 。p g ) = b 。j ”+ 乩一。s “。1 + + 6 。s + 6 。妙( j ) ( 2 ) 输入“o ) 和输出y o ) 之间的传递函数为 g 阱高= 等等等 3 2 2 多变量系统的传递函数 如果一个线性系统有p 个输入以及q 个输出，则第i 个输出和第j 个输入之 间的传递函数定义为g “b ) = 毫错 ( 1 ) 其中，r j ( s ) = o ， k 一1 ，2 ，p ，k j 。 因此，输入输出函数以及传递函数间的关系可以表述为： v g ) 一g i ，b ) 尺，6 ) + g ；：g l r ：g ) + + g 。b l r ，g ) ( 2 用矩阵一向量形式可以把式( 2 ) 简化成 y ( s ) 一g g l r 0 ) ，( 3 ) 其中 y 0 ) 雹 g ( s ) = g ) 匕6 ) ( 4 ) ，r ( s 1 = 划 g 。s ) g ，：g ) g ：。0 ) g ：s ) g 。b ) g q ：g ) r 1 ( s ) r ：g ) 【r g 扣 g 2 p - g 口 ( 5 ) ， ( 6 ) 其中y g ) 是q 1 阶矩阵，r 6 ) 是p 1 阶矩阵，g ( s ) 是q p 阶矩阵，称为传递 函数矩阵。 3 3p i d 控制原理 p i d 算法自1 9 1 0 年由e l m e r s p e r r y 提出，应用在轮船自动驾驶上。1 9 4 2 年，在 z i e g l e r - n i c h o l s ( z n ) s t r a i 曲t f o r w a r d 调节算法出现以后，p i d 控制的应用越来越 广泛，以其功能清晰简单、适用性强及容易使用的特点，成为过程控制工业中最 常用的反馈控制算法。由于p i d 控制器的广泛应用，促进了各种p i d 参数调解技 术、相关的软件包和硬件模块的相应发展。 常规p i d 控制器是一种线性控制器，它根据给定值，o ) 与实际输出值c ( f ) 构 成控制偏差：e o ) 一r o ) - c ( t ) 。将偏差的比例( p r o p o r t i o n a l ) ，积分( i n t e g r a l ) 和微分( d e r i v a t i v e ) 通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。目前应 用的p i d 控制器的输出与控制偏差之间的关系可以表述为： 1 ) 连续形式的p i d 控制器 ) 喝竭触冲讽警 2 ) 离散形式的p i d 控制器 h ( 2 ) = k p e ( 2 ) + k z 善。( j ) + 置。【e ) 一口 一1 ) 】 其中k 表示采样序号，“ ) 为第k 次采样时的输出控制，g ( 七) 为第k 次采样时 输入值和目标的偏差，砟，k ，k 。分别为比例项系数，积分项系数，微分项 系数。 标准的p i d 控制器的传递函数g ( s ) 通常表示为( 1 ) 式的并行形式或者( 2 ) 式的 理想形式： g 0 )皇k ，+ k ，三+ k d s ( 1 ) ，( 去哪) 其中，耳、蜀、同上，五是积分时间常数，是微分时间常数。 p i d 控制器各校正项作用如下： 比例项k ，一及时按照线性比例的反映控制系统的偏差信号e o ) ，偏差一 旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。作用在于加快系统的 响应速度，在较短时间内快速修正输出，补偿由输出产生的偏差，但是k 。 过大可能导致过冲引起系统震荡。 积分项k ，一主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用于积分时 间常数互成反比关系，即写越大，积分作用越弱；反之则越强 微分项k 。一增加系统的阻尼比，反映偏差信号的变化趋势。在系统中引 入一个有效的早期修正信号，从而预测系统的修正度，减少调节时间。 r 0 ) + r ( s ) 图3 - 3 一阶自由度控制器方框图 图3 4p i d 控制器系统方框图 y ( t ) y ( s ) 图3 3 为一阶自由度的控制器方框图，系统中只有一个控制器，因此属于一 阶自由度。在p i d 系统中，控制器为p i d 控制器，相应方框图如图3 - 4 所示。 3 4 模糊控制原理 3 4 1 模糊控制发展现状 模糊控制是智能控制的一个重要分支，是建立在模糊集合论基础上的一种基 于语言规则与模糊推理的控制理论。常规控制理论要求对被控对象建立精确的数 学模型，随着控制领域的延伸，很多被控对象难以建立精确的数学模型，也有很 多被控对象的传递函数过于复杂，难以利用传统控制方法加以控制。模糊控制方 法借鉴了操作人员在即使不知道被控体的模型的情况下也可以凭借丰富的操作 和实践经验进行有效控制的原理，并以这种包含人类思维的控制方案为基础，把 反映人类经验的控制过程的知识总结为若干条控制规则，设计一个控制器根据不 同的情况执行相应的控制规则，从而进行有效的控制【”。 模糊控制理论和方法的提出，由美国加利福尼亚大学自动控制教授l a z a d e h 于 1 9 6 5 年首次提出模糊集合的概念，进而奠定了模糊控制理论的发展基础。 3 4 2 模糊控制基本思想 模糊控制的核心部分是模糊控制器，一般由计算机程序设计实现。其基本思 想是：由传感器获取被控制量的精确输出值，将模拟量转化成数字信号，与目标 值进行比较得到控制偏差，并将偏差值输入到控制器。控制器根据输入偏差的数 字信号值计算控制变量，将其在模糊空间进行模糊化，得到模糊化子集。然后， 控制器根据模糊控制的规则库，由当前的模糊输入子集和模糊关系，进行模糊推 理得到模糊决策，得到模糊控制量。模糊控制量不能直接用于控制输出，需要将 其精确化，这个过程为解模糊。这个过程如图3 5 所示。 图3 - 5 模糊控制器框图 3 4 3 模糊控制器设计 1 确定控制器的输入输出 该温度控制系统的被控对象为加热炉，通过热电偶将温度转换为电势差，然 后根据热电偶电势差表查得对应温度，补偿室温后即获得当前炉温。炉温的加热 系统由继电器控制，施加固定电压值6 5 v ，通过微处理器对继电器的脉冲控制， 改变其通断的占空比，对炉子加热或自然冷却，实现对温度的控制。 最简单的模糊控制器为单输入单输出模糊控制器。以该系统为例，将任意时 刻t 的目标炉温与当前炉温差e ( f ) 一r ( t ) 一c ( t ) ，作为控制器的输入量；将微处理 器脉宽控制器的占空比“( f ) ，作为控制器的输出。 即， 输入量为：e “1 输出量为：“1 2 输入输出量模糊化 模糊集合一般出论域和隶属函数构成，模糊化的实质就是求取相应概念对应 数值域的模糊集合隶属函数。通常把输入输出量范围定义成若干个离散级别，级 别的多少取决于表征的空间范围以及对输入输出量分辨率的要求。 理论上，输入输出量的隶属度函数可采用吊钟形、梯形或者三角形函数，其 中以吊钟形与实际符合最好，但是函数计算机复杂不易于实现。实践证明，用三 角形函数作为隶属度函数在性能上没有明显的差别。因此，实际应用中常常使用 三角形函数作为隶属度函数。 u p sp m p b 似燃、 图3 - 6 量化级数为7 的三角形隶属度函数 在已知精确量输入量x 的前提下，可利用线性划分方法将x 模糊化。设x 的 取值范围为【a ，b 】，输入模糊量化级数为n ，则任意输入值x 对应的量化值l 可 由下式计算： 。2 b ( z 一字) 】 基于本系统，将输入量e ( f ) 语言值的模糊子集设定为 n b ，n m ，n s ，z e ，p s ， p m ，p b ，同样的，将输出量“o ) 语言值的模糊子集也设定为 n b ，n m ，n s ，z e ，p s ， p m ，p b 。 其中 n b = 负大，n m = 负中，n s = 负小，z e = 零，p s = i 正d ，p m = 正中，p b ：正大。 设定p ( f ) 的论域为x ，根据其方向性和值的大小将其量化为7 个不同的等级，即 一3 ，一2 ，一1 ，0 ，1 ，2 ，3 同样的，设定“( f ) 的论域为y ，也将其量化为7 个不同等级。 所以得到输入输出量的论域： p p ) 的论域x = 一3 ，一2 ，1 ，0 ，1 ，2 ，3 “0 ) 的论域z = 一3 ，- 2 ，1 ，0 ，1 ，2 ，3 3 模糊控制语言规则描述和模糊控制表的建立 模糊规则的建立，依赖于专家的经验。在本系统中，当 根据手动控制策略，建立模糊控制i f - t h e n 规则如下： i fe = n b ，t h e nu ( t 、= p b i fe = n m ，t h e nu ( t ) = p m i f e = n s ，t h e n “1 = p s i fe = p b ，t h e n ”o ) = n b 如果是有限规则，可以根据规则，建立对应的模糊控制表。基于该系统的控制规 则，建立模糊控制表如图。 表3 1 “关于e 的模糊控制表 en bn mn szp sp mp b “p bp mp szn sn m n b 4 模糊决策 由模糊子集和模糊控制规则r ，根据模糊推理的合成规则进行模糊决策，得到模 糊输出控制量： “= e 。r 假设e 经模糊化后值为2 2 5 ，则依据图3 - 6 的隶属度函数，得到该输入对应 n b ， n m ，n s ，z e ，p s ，p m ，p b ) 各级数隶属度分别为 0 。，0 。，0 。0 0 ，0 1 ，0 7 5 2 ，0 2 5 3 ) ， 对于控制量的模糊子集采用最大隶属度原则，2 2 5 对应的级数为2 ，通过表3 - 1 的模糊控制规则可知p m 对应输出n m ，p b 对应输出n b ，即输出的模糊控制向 量为 u = e 。r = 0 2 5 。，0 7 5 2 ，0 1 ，0 0 ，0 1 ，0 2 ，0 3 ) 5 解模糊化输出 模糊决策的输出量为模糊控制量，需要将其解模糊后需要以精确量进行输出。解 模糊的方法有很多种，其中比较常用的有最大隶属度法，重心法等。 a ) 最大隶属度法： 在推论的模糊集合中选取隶属度最大的级数最为最后的输出，如果有多个不同级 数隶属度取到最大值，则将这多个级数取平均值作为精确输出量。 b 1 重心法： 取推论的模糊集合的模糊控制量隶属度函数曲线与横坐标所围成的面积的重心 对应的级数值作为最后的精确输出量，特别的，当隶属度函数为点时，取各级数 的加权平均，其权值为各输出级数的隶属度。